GPU가 1초에 30조 번 계산하는 과정

GPU가 1초에 수십조 번의 계산을 해내는 과정을 RTX 5070 기준으로 따라갑니다. CPU의 그리기 명령을 받은 뒤 정점 계산, 래스터화, 깊이 검사, 셰이딩, 레이 트레이싱, AI 보정, 후처리까지 한 프레임이 만들어지는 단계와 메모리 대역폭이 중요한 이유를 정리합니다.

⏱ 00:00중급 게이밍 그래픽카드는 1초 동안 약 30조 번의 계산을 수행한다고 영상은 소개합니다. 전 세계 80억 명이 1초에 계산 문제 하나씩 풀어도 한 시간 넘게 걸리는 양입니다. 이 계산들은 하나씩 순서대로 처리되지 않고 수천 개가 동시에 실행되며, 엄지손톱 정도 크기의 실리콘 칩 위 수백억 개 트랜지스터가 이를 담당합니다.

영상은 이 1초를 칩 안에서부터 따라가기 위해 GeForce RTX 5070을 예로 듭니다. 1440p 게임용으로 많이 쓰이는 중급 카드입니다.

⏱ 00:54RTX 5070에는 약 310억 개의 트랜지스터가 있고, CUDA 코어가 6,144개, 레이 트레이싱 전용 코어가 48개, AI 연산용 텐서 코어가 192개 들어 있습니다. 메모리는 12GB GDDR7이며 칩의 클럭은 초당 약 25억 번 뜁니다. 클럭 한 번 사이에 빛이 이동하는 거리는 약 12cm에 불과합니다.

16년 전 최상위급이던 GTX 580과 비교하면 코어 수는 12배, 트랜지스터는 10배 이상, 메모리 속도는 약 3.5배입니다. 이 회로들이 TSMC가 만든 작은 칩에 담겨 있고, 선폭은 머리카락 한 가닥 너비 안에 1,000개 넘게 나란히 들어갈 만큼 미세합니다.

⏱ 02:0460fps 게임에서 1초는 60장의 화면을 새로 그리는 작업입니다. 프레임당 허용 시간은 약 16.7밀리초로 눈 깜박임보다 짧습니다. 1440p에서는 한 장면에 360만 개 이상의 픽셀이 있고, 각 픽셀의 색을 매 프레임 처음부터 다시 계산해야 합니다.

작업은 CPU에서 시작합니다. CPU는 플레이어와 적의 위치, 폭발 같은 게임 상태를 처리한 뒤 '이 건물을 그려라' 같은 그리기 명령 목록을 그래픽카드에 보냅니다. 실제 3D 모델과 텍스처, 조명 데이터는 이미 VRAM에 올라와 있어서 명령만 전달하면 됩니다.

⏱ 03:15게임 속 물체는 삼각형의 집합으로 만들어지고, 각 삼각형은 세 꼭짓점(정점)으로 정의됩니다. 정점 단계에서는 이 점들을 3D 공간에서 카메라 시점에 맞게 이동, 회전, 투영해 화면 위 위치를 구합니다. 점 하나를 옮기는 데도 4x4 행렬 곱셈이 필요해 약 28번의 연산이 들어가며, 이것이 모든 정점마다 반복됩니다. 카메라 뒤나 화면 밖에 있거나 등을 돌린 삼각형은 여기서 미리 버려 낭비를 줄입니다.

이어서 래스터화 단계는 삼각형이 픽셀 격자의 어느 칸을 덮는지 계산하며, 이는 소프트웨어가 아니라 칩에 내장된 고정 회로가 처리합니다. 여러 삼각형이 겹칠 때는 픽셀마다 가장 가까운 표면까지의 거리를 저장하는 깊이 버퍼로 앞뒤를 가리고, 가려진 면은 색을 칠하는 비싼 작업을 건너뜁니다.

⏱ 05:38픽셀 셰이더는 각 픽셀의 재질, 입혀진 텍스처, 빛의 방향과 세기, 그림자 여부를 따져 최종 색을 정합니다. 멀리 있는 벽처럼 텍스처가 화면에서 크게 압축되면 깜빡임이 생기므로, 원본을 여러 크기로 줄여 둔 밉맵을 사용해 픽셀마다 적절한 크기를 골라 주변 값을 섞습니다. 이런 텍스처 전용 유닛이 이 카드에 192개 있습니다.

CPU는 복잡한 일을 빠르게 끝내는 소수의 강력한 코어를 쓰지만, GPU는 단순한 코어 수천 개가 같은 종류의 일을 동시에 합니다. RTX 5070의 코어는 48개의 스트리밍 멀티프로세서로 묶이고, 픽셀은 32개씩 워프 단위로 묶여 같은 명령을 함께 실행합니다. 픽셀마다 분기가 갈리면 그룹이 나눠서 기다려야 하므로 이웃 픽셀이 같은 일을 하도록 셰이더를 짜는 것이 중요합니다. 칩과 VRAM을 잇는 대역폭은 초당 672GB에 달하고, 캐시는 자주 쓰는 데이터를 가까이 붙들어 둡니다. 데이터 이동은 계산보다 많은 에너지를 쓰기 때문에 캐시는 속도와 발열 모두에 중요합니다.

⏱ 09:21레이 트레이싱은 빛이 장면에서 튕기는 경로를 따라가 반사와 그림자를 실제처럼 계산합니다. 광선과 삼각형의 교차점을 찾는 일이 무거워 전용 코어 48개가 이를 맡습니다. 그래도 모든 픽셀에 광선을 충분히 쏘기는 어려워, 텐서 코어가 AI 모델로 빈 부분을 복원합니다. DLSS가 대표적이며, DLSS 4에서는 실제 렌더링한 두 프레임 사이에 AI 프레임을 최대 3장 더 만들 수 있습니다. 엔비디아는 이 기능을 모두 켰을 때 보이는 픽셀의 15/16이 AI로 생성될 수 있다고 설명합니다.

최종 색은 프레임 버퍼에 기록되고, 빛 번짐이나 모션 블러 같은 후처리 효과가 더해진 뒤 모니터로 전송됩니다. 마감 시한을 넘긴 프레임은 이전 화면을 반복하거나 늦게 도착해 끊김으로 느껴집니다. 필요한 데이터가 VRAM에 없어 PCIe로 시스템 메모리에서 가져와야 할 때가 대표적인 원인이며, 이 경로는 약 60GB/s로 카드 자체 메모리의 약 10분의 1 속도입니다. 144fps에서는 프레임당 7밀리초 미만, 240fps에서는 약 4밀리초로 마감이 더 빡빡해집니다.

⏱ 12:44RTX 5070의 최고 성능은 초당 약 31조 번의 부동소수점 연산으로, 60fps 기준 한 장면당 약 5000억 번입니다. 이를 360만 픽셀로 나누면 픽셀당 매 프레임 약 14만 번의 연산 여유가 생기지만, 실제 게임은 모든 코어를 최고 속도로 쓰지는 않습니다.

예를 들어 빗길 밤거리 자동차 옆면의 한 픽셀은 정점 이동, 래스터화, 깊이 검사, 텍스처 샘플링, 조명 계산, 반사를 위한 광선 추적, AI 보정, 후처리 빛 번짐을 차례로 거칩니다. 이 과정이 1초에 60번, 화면 전체 픽셀에 반복되는 셈입니다. 상위 모델 RTX 5090은 코어가 2만 1천 개 이상, 트랜지스터가 920억 개, 메모리 대역폭이 약 1,800GB/s라고 영상은 덧붙입니다.